摘? 要： 介紹了使用虛擬儀器技術(shù)及PLC構(gòu)成的綜合測控系統(tǒng)" title="測控系統(tǒng)">測控系統(tǒng),，重點(diǎn)闡述了大型多線程LabVIEW程序的構(gòu)建、通訊協(xié)議的算法實(shí)現(xiàn)以及外部函數(shù)的調(diào)用,、動畫的顯示等,。
關(guān)鍵詞： 虛擬儀器； PLC,； 測控系統(tǒng),； LabVIEW； RS-232
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LabVIEW即實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境,，是美國國家儀器公司開發(fā)的圖形化集成開發(fā)環(huán)境" title="開發(fā)環(huán)境">開發(fā)環(huán)境,。它區(qū)別于其他開發(fā)環(huán)境，主要采用圖形化編程即G語言編程,，其核心是子VI,、前面板、數(shù)據(jù)流圖等概念,。LabVIEW目前已經(jīng)發(fā)展到8.5版本,，提供了與MATLAB、C等外部程序的良好接口,，支持ActiveX,、DDE、TCP/IP等標(biāo)準(zhǔn)程序接口,，采用了面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，功能非常?qiáng)大，適用于任何編程任務(wù),，并滲入到嵌入式系統(tǒng),、FPGA設(shè)計(jì)等多個方面，成為一個獲得廣泛認(rèn)可的圖形化軟件開發(fā)環(huán)境,。本文介紹一個使用虛擬儀器技術(shù)在一臺普通PC上搭建通用多功能檢測平臺的應(yīng)用,，其集成了多種傳統(tǒng)檢測功能,，同時具有數(shù)據(jù)分析、存儲,、模擬仿真等諸多擴(kuò)展功能,，使眾多功能統(tǒng)一在一個架構(gòu)下，成本低廉且方便管理維護(hù),，很好地體現(xiàn)了虛擬儀器低價(jià)靈活功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn),。
1 測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本測控系統(tǒng)主要目的是在一個架構(gòu)下完成對工業(yè)生產(chǎn)中的各種元器件的檢測，根據(jù)測量對象的不同選用不同的機(jī)械部分,，可以應(yīng)用于研發(fā),、質(zhì)保等環(huán)節(jié)。
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,，整個系統(tǒng)由普通PC機(jī),、PLC、機(jī)械/電動執(zhí)行件及傳感器搭建組成,。傳感器通過CAN,、開關(guān)量、模擬量等方式接入PLC,PLC通過RS232連接PC機(jī),。此系統(tǒng)靈活簡單,，任何一臺裝上程序的普通PC機(jī)連接PLC就能采集數(shù)據(jù)，且成本較低,。PLC選用一款國產(chǎn)的控制器,特點(diǎn)是端口豐富,，擁有2個CAN2.0B端口，1個RS232/422/485復(fù)用串口,，1個以太網(wǎng)口,，6路PWM輸出，4路脈沖輸入以及大量的模擬和數(shù)字端口,，價(jià)格低廉,，符合本設(shè)計(jì)要求，擴(kuò)展空間廣闊,?；具B接的傳感器為Hengsler絕對編碼器和3B6角度傳感器，使用CANOPEN接口,；執(zhí)行件為大扭矩步進(jìn)電機(jī),，以PLC的PWM輸出作為其主要控制信號。
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系統(tǒng)的核心是PC機(jī)與PLC的協(xié)同工作,。在工作時PC機(jī)與PLC進(jìn)行雙向?qū)Φ仁酵ㄐ?，都可以向?qū)Ψ街鲃影l(fā)數(shù)據(jù)。PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互" title="人機(jī)交互">人機(jī)交互,、數(shù)據(jù)分析存儲以及根據(jù)收到的信息進(jìn)行一些邏輯判斷，向PLC發(fā)送各種數(shù)據(jù)及命令。PLC負(fù)責(zé)將收到的命令轉(zhuǎn)換成具體的動作,，收集現(xiàn)場信息傳給PC,以及實(shí)現(xiàn)安全保護(hù)的邏輯判斷,。
2 主機(jī)程序總體結(jié)構(gòu)
程序主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。主循環(huán)由2個線程組成,，一個負(fù)責(zé)監(jiān)視通信,；一個負(fù)責(zé)邏輯分析以及人機(jī)交互。通信線程包括數(shù)據(jù)收包解包,、幀打包發(fā)送,。人機(jī)交互線程包括面板操作響應(yīng)、數(shù)據(jù)分析及畫圖演示,、發(fā)送命令,、響應(yīng)PLC的請求等。線程間通信通過LabVIEW中有互斥保護(hù)機(jī)制的隊(duì)列類型（queue）交換數(shù)據(jù),，避免不同線程同時搶占公共資源或讀寫順序混亂產(chǎn)生錯誤,。線程內(nèi)部不同子循環(huán)間通過“通知/消息”結(jié)構(gòu)(notifier)交換有時間性要求的數(shù)據(jù)。最后為正常退出的處理程序,，進(jìn)行設(shè)置存盤等操作,。數(shù)據(jù)的存儲與讀取使用ACCESS數(shù)據(jù)庫。
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3 LabVIEW主要程序設(shè)計(jì)" title="程序設(shè)計(jì)">程序設(shè)計(jì)
3．1用戶登錄驗(yàn)證
登錄驗(yàn)證界面程序完成用戶合法性及權(quán)限驗(yàn)證,。在啟動時隱藏程序主界面,，彈出登錄驗(yàn)證界面。登錄程序首先讀取數(shù)據(jù)庫用戶信息,，然后進(jìn)入單循環(huán)event case結(jié)構(gòu),，等待登錄事件觸發(fā)，進(jìn)行驗(yàn)證,。訪問數(shù)據(jù)庫使用LabSQL模塊完成,。圖3所示為等待登錄事件觸發(fā)的程序，圖4中程序完成對用戶信息數(shù)據(jù)庫userinfo.mdb的一次訪問,。
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3．2 PC機(jī)與PLC通信設(shè)計(jì)
3．2．1 模塊概述
通信模塊的正?？煽窟\(yùn)行是整個測控系統(tǒng)安全工作的基礎(chǔ)。如果不定義數(shù)據(jù)包不加處理地直接收發(fā)信息,，則有可能因?yàn)槭瞻l(fā)雙方收發(fā)時間的不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致連續(xù)的誤判,。這在主從式低速通信的情況下可以通過問答形式避免，但在雙向通信的情況下,，隨著數(shù)據(jù)量的增加錯誤風(fēng)險(xiǎn)也大大增加,可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的機(jī)械動作,，因此需要一定的機(jī)制避免這種情況的發(fā)生。最理想的方法是利用TCP/IP協(xié)議,但PLC中RS232通信模塊沒有此協(xié)議,，因此自行編制了一個底層通信協(xié)議以保證通信的可靠和效率,。圖5為基本通信過程,。
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3．2．2? 通信協(xié)議
對于雙方的上層應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)幀定義如下：每一幀開頭包括2字節(jié)表示幀類型及幀意義,，第三字節(jié)開始為數(shù)據(jù)及參數(shù),，長度可變，如無參數(shù)和數(shù)據(jù)則填空,。重要的數(shù)據(jù)在發(fā)送后需要得到確認(rèn),。應(yīng)用程序?qū)⑿枰l(fā)送的幀寫到寫緩沖隊(duì)列中，等待打包程序處理后發(fā)送,。接收到的包經(jīng)過對應(yīng)的解包程序后送到讀緩沖隊(duì)列中給程序使用,。
打包處理過程如圖6所示，程序接收到應(yīng)用程序要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀后,，將幀中的數(shù)據(jù)位進(jìn)行裁減及拼接處理,，將原數(shù)據(jù)位中每7位數(shù)據(jù)分成一組，最高位補(bǔ)0,，作為數(shù)據(jù)包中的1字節(jié)數(shù)據(jù),，犧牲1位的效率表示原數(shù)據(jù)。這樣做是因?yàn)榘慕Y(jié)尾有一字節(jié)“FE”作為包結(jié)束標(biāo)志,，避免數(shù)據(jù)位中出現(xiàn)與結(jié)束位相同的字節(jié),。幀頭的幀類型幀意義2 字節(jié)數(shù)據(jù)同樣也不能出現(xiàn)和結(jié)束位一樣的字節(jié)“FE”。完成后再對前面所有位進(jìn)行累加然后模128,，結(jié)果作為1字節(jié)校驗(yàn)位,。在包的最后是一字節(jié)“FE”表示包結(jié)束。使用“FE”而不是“FF”可以避免此重要的結(jié)束字8位為全“1”,，增強(qiáng)抗干擾性,。解包程序?yàn)槠淠孢^程。由于上述處理都是數(shù)據(jù)移位的過程,，所以占用資源很少,，執(zhí)行效率非常高，PLC端也能承受這種開銷,。
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LabVIEW中打包子程序" title="子程序">子程序主要部分如圖7所示,。中間case結(jié)構(gòu)為打包算法的實(shí)現(xiàn):取出幀中數(shù)據(jù)位拼接到一個Unsigned Integer64單元中，接著按位取出,，每7位一組作為1字節(jié),，得到包數(shù)據(jù)位，再進(jìn)行累加和校驗(yàn),，與幀頭2位及結(jié)束位組合便得到數(shù)據(jù)包,。
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3．2．3 通信監(jiān)視線程
通信監(jiān)視線程的接口主要是3個FIFO隊(duì)列，即Wbuf,、combuf,、databuf,，隊(duì)列元素為供上層程序使用的幀，以LabVIEW中簇(Bundle)的形式存在,。Wbuf表示待發(fā)送數(shù)據(jù),，combuf表示收到的命令幀，databuf表示收到的數(shù)據(jù)幀,。程序不斷地掃描Wbuf隊(duì)列、RS232硬件接收緩沖區(qū),。當(dāng)Wbuf中有元素時,，依次取出所有元素，并對每個元素即待發(fā)的幀調(diào)用打包程序進(jìn)行數(shù)據(jù)位,、校驗(yàn)位及結(jié)束位的處理,，再把處理結(jié)果拼接成數(shù)組轉(zhuǎn)換成字符串后送給串口寫模塊發(fā)送。當(dāng)RS232硬件接收緩沖區(qū)中掃描到數(shù)據(jù)時,，線程將數(shù)據(jù)讀到一個數(shù)組中并掃描,。當(dāng)出現(xiàn)結(jié)束字時就把結(jié)束字以前的所有數(shù)據(jù)當(dāng)成一個包拿出來，進(jìn)行驗(yàn)證判定解包,，將不正確結(jié)果丟棄,，正確結(jié)果放入combuf、databuf隊(duì)列中,，并及時反映在前面板,。當(dāng)數(shù)組中沒有結(jié)束字時則不做處理，等待下一次數(shù)據(jù),。如果數(shù)組超過一定長度還沒收到結(jié)束字則視同錯誤包丟棄處理,。通信狀態(tài)燈顯示通信工作狀態(tài)。
3．3 界面響應(yīng)線程
界面響應(yīng)線程主要負(fù)責(zé)對用戶界面操作的響應(yīng),，根據(jù)規(guī)則向PLC發(fā)送信息并應(yīng)答PLC請求,，顯示工作情況等。此線程主要由兩個循環(huán)組成,，第一個循環(huán)專門掃描用戶操作進(jìn)行響應(yīng),，采用事件結(jié)構(gòu)（event case)編程，響應(yīng)事件程序都放在event case結(jié)構(gòu)中,。case中實(shí)現(xiàn)控件響應(yīng),、系統(tǒng)設(shè)置、測量數(shù)據(jù),、數(shù)據(jù)分析畫圖顯示,、數(shù)據(jù)存儲等功能。每一個需要響應(yīng)的事件或?qū)崿F(xiàn)的功能形成一個case,，以“插件”的形式存在,，便于修改,。子case調(diào)用子程序，收發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù),，并在前面板以字符串或動畫的形式產(chǎn)生回應(yīng),。用戶在前面板進(jìn)行操作后產(chǎn)生一個事件，程序便會調(diào)用相應(yīng)事件處理程序進(jìn)行處理,。另一個循環(huán)監(jiān)視收到的命令數(shù)據(jù),，進(jìn)行應(yīng)答或形成LabVIEW中用于同步交換數(shù)據(jù)的通知（Notifier）發(fā)給需要的子程序。這個循環(huán)同時負(fù)責(zé)處理緊急事件如緊急停止等,。
3．4 不規(guī)則界面設(shè)計(jì)
LabVIEW標(biāo)準(zhǔn)生成矩形窗口,，沒有很好的方法實(shí)現(xiàn)不規(guī)則窗口，給界面設(shè)計(jì)帶來一些限制,，因此需要借助外部程序,。微軟標(biāo)配的user32.dll中函數(shù)SetLayeredWindowAttributes能使窗體中指定顏色部分變成透明。將VI前面板背景色作為參數(shù)傳給此函數(shù), 同時設(shè)置好VI的Window Appearance屬性,，便能隱藏背景,，顯示定制界面。圖8完成此外部函數(shù)的調(diào)用,，圖9為不規(guī)則的登錄窗口顯示效果,。
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3．5 數(shù)據(jù)處理
3．5．1 數(shù)據(jù)分析及存儲
通過插入C語言、Matlab語言節(jié)點(diǎn)編制程序及調(diào)用LabVIEW數(shù)據(jù)分析模塊完成分析,、模擬仿真功能,。每種功能同樣以“插件”形式作為子功能存在于event case結(jié)構(gòu)中,系統(tǒng)完成一次檢測或分析后對ACCESS數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，過程大致與登錄系統(tǒng)相同,不再贅述,。
3．5．2 作圖及動畫演示
普通要求的數(shù)據(jù)顯示調(diào)用LabVIEW提供的Plot Multi-XY模塊即可完成,。此模塊接收一組數(shù)據(jù)包,每個包中含有一組坐標(biāo)數(shù)據(jù),對應(yīng)一條將被繪制的曲線。特殊要求可通過自行編制畫圖程序完成,。動畫演示部分通過自行編制畫圖程序在前面板的Picture容器中繪圖完成,。被繪制的圖形是受控的可以運(yùn)動變化的圖形。繪圖子程序根據(jù)主程序傳遞的參數(shù)計(jì)算并繪制應(yīng)顯示的圖形,，參數(shù)不斷地改變從而形成顯示圖形的不斷改變,，從而形成動畫。
繪圖過程如下:如圖10所示,，程序初始化時,繪圖程序從BMP文件中讀取需要繪制的子圖像及背景,。背景是靜止圖形,程序運(yùn)行中一般不更新,子圖像是需要運(yùn)動變化的圖像。讀取到的子圖像是一個個矩形圖像,和其他圖像拼接時會有互相掩蓋現(xiàn)象,。將讀到的圖像進(jìn)行掩碼處理使不需要的地方成為透明色,，這時子圖像可以進(jìn)行拼接。當(dāng)需要繪圖時,主程序首先通過參數(shù)的形式告訴繪圖程序需要繪制的圖形情況,繪圖程序根據(jù)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成繪圖需要的具體參數(shù)，如運(yùn)動點(diǎn)位置,、子圖形大小等,。在得到繪制圖形需要的所有參數(shù)后，程序?qū)D形按要求以不同角度貼到指定位置,同時調(diào)用函數(shù)直接繪制矩形圓形等圖形填充其他位置,。由于LabVIEW中圖形以左上角為原點(diǎn),x從左到右y從上到下增大,不方便位置運(yùn)算,因此需要給繪圖子程序傳入Picture容器高度進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,。圖11為一次繪圖過程，通過多次類似過程,，得到最終的圖形顯示在前面板上,。
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4 程序編譯執(zhí)行效果
程序脫離開發(fā)環(huán)境后運(yùn)行效果理想，集成實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)測量功能,，界面精美友好,，在普通PC上運(yùn)行流暢。圖12為程序整體編譯后的主程序界面,。
本測量系統(tǒng)通過1臺普通PC機(jī)與PLC通信，利用PC機(jī)的靈活性,，以較低的成本集成實(shí)現(xiàn)了多種測量子功能,，充分發(fā)揮了虛擬儀器的優(yōu)勢，同時子功能以插件的形式存在,，從而使得擴(kuò)展空間非常廣大,。本文介紹了應(yīng)用于測控系統(tǒng)的大型LabVIEW程序的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，使用了多線程,、動畫等技術(shù),，完成了傳統(tǒng)儀器所沒有的功能，使一臺PC機(jī)變成了多功能測控中心,。由此可見虛擬儀器具有十分強(qiáng)大的功能,，必將得到更為廣泛的應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)
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